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JP2012116800A - Aromatic sulfonic acid derivative and method for producing the same - Google Patents

Aromatic sulfonic acid derivative and method for producing the same Download PDF

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JP2012116800A
JP2012116800A JP2010269170A JP2010269170A JP2012116800A JP 2012116800 A JP2012116800 A JP 2012116800A JP 2010269170 A JP2010269170 A JP 2010269170A JP 2010269170 A JP2010269170 A JP 2010269170A JP 2012116800 A JP2012116800 A JP 2012116800A
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sulfonic acid
reaction
acid derivative
aromatic
group
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Application number
JP2010269170A
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Japanese (ja)
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Akinori Ejima
明紀 恵島
Shunsuke Ichimura
俊介 市村
Masumi Funayama
ますみ 舩山
Takeshi Matsuoka
豪 松岡
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Toyobo Co Ltd
Original Assignee
Toyobo Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an aromatic polymer material having excellent proton conductivity, and to provide a monomer for obtaining the polymer material.SOLUTION: The aromatic sulfonic acid derivative represented by formula (1) and having a phenylene bond is used as a monomer component. [In the formula, Xand Xare each independently hydrogen or a halogen; R is hydrogen, alkali metal, alkaline earth metal or 1-20C hydrocarbon; a and b are each independently an integer of ≥1; and Arand Arare each independently aromatic].

Description

本発明は、フェニレン結合を有する芳香族スルホン酸誘導体、およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an aromatic sulfonic acid derivative having a phenylene bond and a method for producing the same.

固体高分子型燃料電池は、燃料として純水素ガス、改質水素ガス、メタノールを用いるいずれの型でも、高分子電解質を2枚の電極で挟んだ膜電極接合体を複数積層したスタックと呼ばれるもので構成されている。高分子電解質膜には、出力の向上や燃料の有効利用の点から、プロトン伝導性に優れていることが求められる。   A polymer electrolyte fuel cell is a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies in which a polymer electrolyte is sandwiched between two electrodes are used in any type that uses pure hydrogen gas, reformed hydrogen gas, and methanol as fuel. It consists of The polymer electrolyte membrane is required to be excellent in proton conductivity from the viewpoint of improvement in output and effective use of fuel.

高分子電解質膜の作製には、従来、パーフルオロアルキレン基を主鎖骨格とし、側鎖にスルホン酸基を有する高分子材料(フッ素系高分子材料)が用いられてきた。しかし、このフッ素系高分子材料は80℃付近に軟化点を有することから、かかる高分子材料を用いて作製される高分子電解質膜は100℃を超える高温下で使用することができなかった。   For the production of a polymer electrolyte membrane, conventionally, a polymer material (fluorine polymer material) having a perfluoroalkylene group as a main chain skeleton and a sulfonic acid group in a side chain has been used. However, since this fluorine-based polymer material has a softening point near 80 ° C., a polymer electrolyte membrane produced using such a polymer material could not be used at a high temperature exceeding 100 ° C.

そこで、高温下でも使用できる高分子電解質膜を提供するべく、フェニレン基を主鎖骨格とし、側鎖にスルホン酸基を有する高分子材料(芳香族系高分子材料)が検討されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、従来の芳香族系高分子材料では、フェニレン基を主鎖骨格とするポリマーに対してスルホン酸基の導入がなされるため、スルホン化の部位がポリマーの化学構造の影響を受けることとなり、スルホン化率を十分に上げることができなかった。   Therefore, in order to provide a polymer electrolyte membrane that can be used even at high temperatures, a polymer material (aromatic polymer material) having a phenylene group as a main chain skeleton and a sulfonic acid group in a side chain has been studied (for example, Patent Document 1). However, in the conventional aromatic polymer material, since a sulfonic acid group is introduced into a polymer having a phenylene group as a main chain skeleton, the sulfonation site is affected by the chemical structure of the polymer. The sulfonation rate could not be increased sufficiently.

米国特許第5,403,675号公報US Pat. No. 5,403,675

本発明者らは、プロトン伝導性に優れる芳香族系高分子材料、および該高分子材料を得るためのモノマーを提供することを課題として掲げた。   The present inventors raised as an object to provide an aromatic polymer material excellent in proton conductivity and a monomer for obtaining the polymer material.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、以下のフェニレン結合を有する芳香族スルホン酸誘導体をモノマー成分として用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been found that the above problems can be solved by using an aromatic sulfonic acid derivative having the following phenylene bond as a monomer component, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明にかかる芳香族スルホン酸誘導体は式(1)で表されることを特徴とする。 That is, the aromatic sulfonic acid derivative according to the present invention is represented by the formula (1).

[式(1)において、XおよびXはそれぞれ独立した水素原子またはハロゲン原子を示す。Rは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、または炭素数1〜20の炭化水素基、aおよびbはそれぞれ独立した1以上の整数、ArおよびArは独立した芳香族基を示す。] [In Formula (1), X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom. R represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, a and b each represent an independent integer of 1 or more, and Ar 1 and Ar 2 represent an independent aromatic group. Show. ]

本発明において、下記式(1)におけるArおよびArがフェニレン基であることが好ましい実施態様である。 In the present invention, Ar 1 and Ar 2 in the following formula (1) are preferably phenylene groups.

また、本発明には、前記芳香族スルホン酸誘導体の製造方法であって、下記式(2)で表される芳香族化合物から、還元反応にて水酸基を生成する第一反応工程と、第一反応工程で得られる反応精製物をスルホン化する第二反応工程とを含むことを特徴とする製造方法も包含される。 The present invention also provides a method for producing the aromatic sulfonic acid derivative, comprising a first reaction step of generating a hydroxyl group by a reduction reaction from an aromatic compound represented by the following formula (2): And a second reaction step of sulfonating the purified reaction product obtained in the reaction step.

[式(2)において、XおよびXはそれぞれ独立した水素原子またはハロゲン原子を示す。] [In Formula (2), X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom. ]

上記製造方法において、前記第一反応工程を、反応温度−20℃〜200℃、前記反応生成物の濃度を1質量%〜10質量%となるように行うことや、前記第二反応工程を、反応温度0℃〜100℃で行うこと、および前記反応生成物に対して2当量〜20当量の硫酸を加えて行うことが好ましい実施態様である。 In the said manufacturing method, said 1st reaction process is performed so that reaction temperature may be -20 degreeC-200 degreeC, and the density | concentration of the said reaction product may be 1 mass%-10 mass%, said 2nd reaction process, It is a preferred embodiment that the reaction is carried out at a reaction temperature of 0 ° C. to 100 ° C. and 2 to 20 equivalents of sulfuric acid is added to the reaction product.

本発明にかかる芳香族スルホン酸誘導体は、2個以上のスルホン酸基を有している。このため、当該誘導体をモノマー成分として用いることにより、スルホン化率の高い芳香族系高分子材料を得ることができ、ひいてはプロトン伝導性に優れた高分子電解質膜を提供できるものと推察される。   The aromatic sulfonic acid derivative according to the present invention has two or more sulfonic acid groups. For this reason, it is speculated that by using the derivative as a monomer component, an aromatic polymer material having a high sulfonation rate can be obtained, and as a result, a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity can be provided.

また、当該芳香族系高分子材料は、スルホン酸基が剛直性の高い側鎖(芳香族基)に導入されているため、スルホン酸基を多量に導入したことに起因する耐熱水性や機械的特性の低下が起こり難いと推察される。   In addition, since the aromatic polymer material has a sulfonic acid group introduced into a highly rigid side chain (aromatic group), it is resistant to hot water and mechanical properties caused by the introduction of a large amount of the sulfonic acid group. It is inferred that the characteristics are unlikely to deteriorate.

実施例1で得られた芳香族スルホン酸誘導体のH−NMRスペクトルである。1 is a 1 H-NMR spectrum of an aromatic sulfonic acid derivative obtained in Example 1. 実施例1で得られた芳香族スルホン酸誘導体の13C−NMRスペクトルである。2 is a 13 C-NMR spectrum of an aromatic sulfonic acid derivative obtained in Example 1. FIG.

本発明の芳香族スルホン酸誘導体は式(1)で表されることを特徴とする。   The aromatic sulfonic acid derivative of the present invention is represented by the formula (1).

[式(1)において、XおよびXはそれぞれ独立した水素原子またはハロゲン原子を示す。Rは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、または炭素数1〜20の炭化水素基、aおよびbはそれぞれ独立した1以上の整数、ArおよびArは独立した芳香族基を示す。] [In Formula (1), X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom. R represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, a and b each represent an independent integer of 1 or more, and Ar 1 and Ar 2 represent an independent aromatic group. Show. ]

以下、当該芳香族スルホン酸誘導体の詳細、およびその製造方法について説明する。 Hereafter, the detail of the said aromatic sulfonic acid derivative and its manufacturing method are demonstrated.

(芳香族スルホン酸誘導体)
式(1)における構成の、当該誘導体をモノマー成分として用いて重合させて芳香族系高分子材料を調製する際に、当該OHで表される水酸基部位が反応し、主鎖骨格を構成するため、スルホン酸基は側鎖に配されることとなる。
(Aromatic sulfonic acid derivatives)
When preparing an aromatic polymer material by polymerizing the derivative of the structure of formula (1) as a monomer component, the hydroxyl group represented by the OH reacts to form the main chain skeleton. The sulfonic acid group is arranged in the side chain.

およびXのハロゲン原子は、特に限定されるものではなく、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。 Halogen atom of X 1 and X 2 are not particularly limited, for example, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom.

式(1)中、Rで表されるアルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子としては、特に限定されるものではなく、アルカリ金属原子としては、例えばリチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子等が挙げられる。またアルカリ土類金属原子としては、例えばマグネシウム原子やカルシウム原子等が挙げられる。なお、Rがアルカリ土類金属原子である場合には、かかる金属原子は芳香族スルホン酸誘導体中の複数のスルホン酸基と塩を形成していてもよい。あるいは、芳香族スルホン酸誘導体中のスルホン酸基、および塩化物イオン、硝酸イオン、過塩素酸イオンなどの遊離イオンの両方と塩を形成してもよい。   In formula (1), the alkali metal atom and alkaline earth metal atom represented by R are not particularly limited, and examples of the alkali metal atom include a lithium atom, a sodium atom, and a potassium atom. . Examples of the alkaline earth metal atom include a magnesium atom and a calcium atom. When R is an alkaline earth metal atom, the metal atom may form a salt with a plurality of sulfonic acid groups in the aromatic sulfonic acid derivative. Alternatively, a salt may be formed with both the sulfonic acid group in the aromatic sulfonic acid derivative and free ions such as chloride ion, nitrate ion and perchlorate ion.

また、Rで表される炭素数1〜20の炭化水素基としては、特に限定されるものではないが、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等の直鎖状炭化水素基;イソプロピル基、イソブチル基、t−ブチル基、s−ブチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、2−エチルヘキシル基、2-メチルブチル基等の分岐状炭化水素基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、ビシクロ[2.2.2]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基等の脂環式炭化水素基等が挙げられる。これらの炭化水素基の中でも、ネオペンチル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、ビシクロ[2.2.2]ヘプチル基が好ましい。   The hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms represented by R is not particularly limited, but is a methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group. A linear hydrocarbon group such as a group; branched hydrocarbon groups such as isopropyl group, isobutyl group, t-butyl group, s-butyl group, isopentyl group, neopentyl group, 2-ethylhexyl group, and 2-methylbutyl group; cyclopentyl Group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, bicyclo [2.2.2] heptyl group, And alicyclic hydrocarbon groups such as a bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group. Among these hydrocarbon groups, a neopentyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, and bicyclo [2.2.2] heptyl group are preferable.

式(1)中のaおよびbは、それぞれ独立した1以上の整数を示し、その上限はArおよびArの種類に応じて変動するものであるが、1または2であることが好ましい。aおよびbが3を超えると、合成時の収率が低下するなどの問題が生じる場合がある。 A and b in the formula (1) each independently represent an integer of 1 or more, and the upper limit thereof varies depending on the types of Ar 1 and Ar 2 , but is preferably 1 or 2. When a and b exceed 3, problems such as a decrease in yield during synthesis may occur.

式(1)中、ArおよびArで表される芳香族基としては特に限定されるものではなく、例えば、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基等が挙げられ、ArとArは同種であっても異種であってもよいが、ArおよびArがともにフェニレン基であることが好ましい。 In the formula (1), the aromatic group represented by Ar 1 and Ar 2 is not particularly limited, and examples thereof include a phenylene group, a naphthylene group, a biphenylene group, and the like, and Ar 1 and Ar 2 are the same type. Or Ar 1 and Ar 2 are preferably both phenylene groups.

式(1)で表される芳香族スルホン酸誘導体の具体例としては、例えば下記の化合物が挙げられる。   Specific examples of the aromatic sulfonic acid derivative represented by the formula (1) include the following compounds.

また、上記化合物中、XおよびX位の塩素原子やフッ素原子が他のハロゲン原子に置換された化合物や、ArおよびAr位のフェニレン基がそれぞれ独立したナフチレン基やビフェニレン基等の他の芳香族基に置換された化合物も用いることができる。
これらの化合物群の中でも、〔化4〕や〔化5〕に代表されるようなスルホン酸基であ
ることが特に好ましい。
Further, among the above compounds, compounds in which the chlorine atoms and fluorine atoms at the X 1 and X 2 positions are substituted with other halogen atoms, naphthylene groups and biphenylene groups in which the Ar 1 and Ar 2 position phenylene groups are independent, Compounds substituted with other aromatic groups can also be used.
Among these compound groups, sulfonic acid groups represented by [Chemical Formula 4] and [Chemical Formula 5] are particularly preferable.

上記式(1)で表される芳香族スルホン酸誘導体は、これをモノマー成分として用いて芳香族系高分子材料を調製する場合に、単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   When the aromatic sulfonic acid derivative represented by the above formula (1) is used as a monomer component to prepare an aromatic polymer material, it may be used alone or in combination of two or more. Good.

(芳香族スルホン酸誘導体の製造方法)
上記式(1)で表される芳香族スルホン酸誘導体の製造方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、下記の方法が挙げられる。
(Method for producing aromatic sulfonic acid derivative)
Although it does not specifically limit as a manufacturing method of the aromatic sulfonic acid derivative represented by the said Formula (1), For example, the following method is mentioned.

すなわち、当該誘導体は、下記式(2)で表される芳香族化合物から、還元反応にて水酸基を生成する第一反応工程と、第一反応工程で得られる反応生成物をスルホン化する第二反応工程とを経て製造することができる。   That is, the derivative includes a first reaction step for generating a hydroxyl group by a reduction reaction from an aromatic compound represented by the following formula (2), and a second sulfonating reaction product obtained in the first reaction step. It can manufacture through a reaction process.

[式(2)において、XおよびXはそれぞれ独立した水素原子またはハロゲン原子を示す。] [In Formula (2), X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom. ]

式(2)で表される芳香族化合物の具体例としては、例えば、2,5−ジフェニル−1,4−ベンゾキノン、2,6−ジフェニル−1−4ベンゾキノン;3,6−ジフルオロ−2,5−ジフェニル−1,4−ベンゾキノン、3−フルオロ−2,5−ジフェニル−1,4−ベンゾキノン、3,5−ジフルオロ−2,6−ジフェニル−1,4−ベンゾキノン、3−フルオロ−2,6−ジフェニル−1,4−ベンゾキノン、5−フルオロ−2,6−ジフェニル−1,4−ベンゾキノンなどのハロゲン化誘導体;2,5−ジナフチル−1,4−ベンゾキノン、2,6−ジナフチル−1−4ベンゾキノン;3,6−ジフルオロ−2,5−ジナフチル−1,4−ベンゾキノン、3,5−ジフルオロ−2,6−ジナフチル−1,4−ベンゾキノンなどのナフチル基誘導体などが挙げられる。 Specific examples of the aromatic compound represented by the formula (2) include, for example, 2,5-diphenyl-1,4-benzoquinone, 2,6-diphenyl-1-4benzoquinone; 3,6-difluoro-2, 5-diphenyl-1,4-benzoquinone, 3-fluoro-2,5-diphenyl-1,4-benzoquinone, 3,5-difluoro-2,6-diphenyl-1,4-benzoquinone, 3-fluoro-2, Halogenated derivatives such as 6-diphenyl-1,4-benzoquinone and 5-fluoro-2,6-diphenyl-1,4-benzoquinone; 2,5-dinaphthyl-1,4-benzoquinone, 2,6-dinaphthyl-1 -4 benzoquinone; naphthyl group induction such as 3,6-difluoro-2,5-dinaphthyl-1,4-benzoquinone, 3,5-difluoro-2,6-dinaphthyl-1,4-benzoquinone Body and the like.

また、上記化合物中、XおよびX位のフッ素原子が他のハロゲン原子に置換された化合物や、ArおよびAr位のフェニレン基がそれぞれ独立したナフチレン基やビフェニレン基等の他の芳香族基に置換された化合物も用いることができる。 In addition, among the above compounds, compounds in which the fluorine atoms at the X 1 and X 2 positions are substituted with other halogen atoms, and other aromatic compounds such as a naphthylene group or a biphenylene group in which the phenylene groups at the Ar 1 and Ar 2 positions are respectively independent. A compound substituted with a group can also be used.

上記式(2)で表される芳香族スルホン酸誘導体は、これをモノマー成分として用いて芳香族系高分子材料を調製する場合に、単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   When the aromatic sulfonic acid derivative represented by the above formula (2) is used as a monomer component to prepare an aromatic polymer material, it may be used alone or in combination of two or more. Good.

第一反応工程において、還元反応は、通常触媒を用いて行われる。かかる触媒としては、一般に還元反応で用いられる触媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、亜鉛末などの金属や水素化ホウ素ナトリウムなどの無機金属化合物などが挙げられる。   In the first reaction step, the reduction reaction is usually performed using a catalyst. Such a catalyst is not particularly limited as long as it is a catalyst generally used in a reduction reaction, and examples thereof include metals such as zinc dust and inorganic metal compounds such as sodium borohydride.

第一反応工程における還元反応は、その進行を適切に制御するため、溶媒中で行うことが好ましい。かかる溶媒としては、芳香族化合物が溶解し得る溶媒であること好ましく、例えば、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルムなどが挙げられ、特にテトラヒドロフランを用いることが好ましい。これらの溶媒は、単独で用いても、2種以上を組み合わせても良い。   The reduction reaction in the first reaction step is preferably performed in a solvent in order to appropriately control the progress thereof. Such a solvent is preferably a solvent in which an aromatic compound can be dissolved, and examples thereof include tetrahydrofuran, dichloromethane, chloroform and the like, and tetrahydrofuran is particularly preferably used. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

第一反応工程を溶媒中で行う場合、第一反応工程を経て得られる反応生成物の濃度が1質量%〜10質量%となるように行うことが好ましい。濃度が1質量%未満の場合には、反応の進行が遅く、収率も低下する場合がある。濃度が10質量%以上を超える場合には、副反応が進行する可能性もある。そのため、より好ましくは、3質量%〜7質量%である。   When performing a 1st reaction process in a solvent, it is preferable to carry out so that the density | concentration of the reaction product obtained through a 1st reaction process may be 1 mass%-10 mass%. When the concentration is less than 1% by mass, the progress of the reaction is slow, and the yield may be reduced. When the concentration exceeds 10% by mass or more, a side reaction may proceed. Therefore, More preferably, it is 3 mass%-7 mass%.

第一反応工程での反応温度は、―20〜200℃の範囲が好ましいが、用いる溶媒に順ずる。すなわち、還流操作にて反応を進行させるため、反応系中の温度は、用いた溶媒の沸点を超えることはない。例えば、溶媒にテトラヒドロフランを用いた場合は、沸点が66℃であるため、その温度で反応を進行させることとなる。反応時間については、特に限定されるものではないが、反応中、発生する水素の発生がなくなった段階を反応終点とする。   The reaction temperature in the first reaction step is preferably in the range of −20 to 200 ° C., but conforms to the solvent used. That is, since the reaction proceeds by a reflux operation, the temperature in the reaction system does not exceed the boiling point of the solvent used. For example, when tetrahydrofuran is used as the solvent, since the boiling point is 66 ° C., the reaction proceeds at that temperature. The reaction time is not particularly limited, but the reaction end point is the stage at which no hydrogen is generated during the reaction.

第二反応工程は、上記第一反応工程を経て得られる反応生成物をスルホン化する工程であり、かかるスルホン化の方法としては特に限定されず、スルホン化剤の種類や量、反応温度および反応時間などを制御しながら反応生成物にスルホン化剤を反応させて、目的の芳香環にスルホン酸基を導入すればよい。   The second reaction step is a step of sulfonating the reaction product obtained through the first reaction step, and the sulfonation method is not particularly limited, and the type and amount of the sulfonating agent, the reaction temperature, and the reaction A sulfonic acid group may be introduced into the target aromatic ring by reacting the reaction product with a sulfonating agent while controlling time and the like.

第二反応工程で用いるスルホン化剤は、特に限定されるものではなく、例えば、硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸、無水硫酸などが挙げられ、特に硫酸が好ましい。これらのスルホン化剤は単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The sulfonating agent used in the second reaction step is not particularly limited, and examples thereof include sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, and anhydrous sulfuric acid, and sulfuric acid is particularly preferable. These sulfonating agents may be used alone or in combination of two or more.

第二反応工程は、0℃〜100℃の範囲で行うことが好ましく、0℃〜50℃の範囲で行うことがより好ましい。反応温度が0℃未満の場合には、スルホン化の終了までに時間がかかる場合がある。反応温度が50℃を超える場合には、副生成物が多量に生成する場合がある。反応時間については、特に限定されるものではないが、出発原料が固体であるため、見た目にそれが溶解した段階を終点としている。   The second reaction step is preferably performed in the range of 0 ° C to 100 ° C, and more preferably performed in the range of 0 ° C to 50 ° C. When the reaction temperature is less than 0 ° C., it may take time to complete the sulfonation. When the reaction temperature exceeds 50 ° C., a large amount of by-products may be generated. The reaction time is not particularly limited, but since the starting material is solid, the end point is the stage where it is apparently dissolved.

第二反応工程において、スルホン化剤として硫酸を用いる場合には、硫酸の添加量は反応生成物に対して、2当量〜20当量とすることが好ましく、2当量〜10当量の範囲で行うことがより好ましい。スルホン化剤の添加量が2当量未満の場合には、反応生成物にスルホン酸基を十分に導入することができない。また、スルホン化剤が10当量を超えて添加しても、スルホン酸基の導入効率が向上しない。   In the second reaction step, when sulfuric acid is used as the sulfonating agent, the amount of sulfuric acid added is preferably 2 to 20 equivalents, preferably 2 to 10 equivalents, relative to the reaction product. Is more preferable. When the addition amount of the sulfonating agent is less than 2 equivalents, sulfonic acid groups cannot be sufficiently introduced into the reaction product. Even if the sulfonating agent is added in an amount exceeding 10 equivalents, the introduction efficiency of the sulfonic acid group is not improved.

(芳香族系高分子材料)
本発明はモノマー(第一反応工程を経て得られた反応生成物)に対してスルホン化するものであり、フェニレン基を主鎖骨格とするポリマーに対してスルホン酸基を導入することを要しない。このため、本発明では、上記芳香族スルホン酸誘導体を用いて得られる芳香族高分子材料のスルホン化率を十分に上げることができる。
(Aromatic polymer materials)
The present invention sulfonates a monomer (reaction product obtained through the first reaction step), and does not require introduction of a sulfonic acid group into a polymer having a phenylene group as a main chain skeleton. . For this reason, in this invention, the sulfonation rate of the aromatic polymer material obtained using the said aromatic sulfonic acid derivative can fully be raised.

芳香族高分子材料は、例えば、上記芳香族スルホン酸誘導体の他に、芳香族ジハロゲン化物などを用いて、公知の方法(例えば、塩基性化合物の存在下、公知の芳香族求核置換反応による重合反応)で製造することができる。 The aromatic polymer material can be obtained by using a known method (for example, a known aromatic nucleophilic substitution reaction in the presence of a basic compound in addition to the above aromatic sulfonic acid derivative, using an aromatic dihalide). Polymerization reaction).

前記芳香族ジハロゲン化物としては、例えば4,4‘−ジフルオロジフェニルスルホン、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、4,4‘−ジクロロジフェニルスルホンや2,6−ジクロロベンゾニトリルなどが挙げられる。   Examples of the aromatic dihalide include 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 2,6-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, and 2,6-dichlorobenzonitrile.

以下、実施例および比較例によって、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更して実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお下記実施例および比較例において「部」、「%」とあるのは、それぞれの重量部、質量%を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples, and may be appropriately modified and implemented within a range that can meet the above and the gist. All of these are possible within the scope of the present invention. In the following examples and comparative examples, “parts” and “%” mean parts by weight and mass%, respectively.

(実施例1)芳香族スルホン酸誘導体1の合成
<第一反応工程>
還流管および攪拌機を取り付けた三口フラスコに芳香族炭化水素化合物として、2,5−ジフェニル−1,4−ベンゾキノン20.0g(76.8mmol)、溶媒としてテトラヒドロフラン400ml、および触媒として亜鉛末50.0g(765mmol)を入れ、加熱還流した。還流開始後、あらかじめ取り付けておいた滴下漏斗より塩酸60mlを少しずつ滴下し、無くなるまで滴下を続けた。溶液が中性になるまで反応を続けた。反応後、亜鉛残渣をろ過にて取り除き、ろ液を溶媒留去にて白色固体を得た。この白色固体を酢酸エチル300mlに溶解させ、そこに水を100ml注ぎ有機層を洗浄した。この操作を3回繰り返した。有機層を硫酸ナトリウムにて乾燥後、ろ過してろ液を回収、次いで溶媒留去し白色固体を得た。最後に、トルエンにて再結晶化し、20.1gの反応生成物を得た。
Example 1 Synthesis of Aromatic Sulfonic Acid Derivative 1 <First Reaction Step>
In a three-necked flask equipped with a reflux tube and a stirrer, 20.0 g (76.8 mmol) of 2,5-diphenyl-1,4-benzoquinone as an aromatic hydrocarbon compound, 400 ml of tetrahydrofuran as a solvent, and 50.0 g of zinc powder as a catalyst (765 mmol) was added and heated to reflux. After the start of reflux, 60 ml of hydrochloric acid was dropped little by little from a dropping funnel attached in advance, and the dropping was continued until it disappeared. The reaction was continued until the solution was neutral. After the reaction, the zinc residue was removed by filtration, and the filtrate was evaporated to obtain a white solid. This white solid was dissolved in 300 ml of ethyl acetate, and 100 ml of water was poured therein to wash the organic layer. This operation was repeated three times. The organic layer was dried over sodium sulfate and filtered to collect the filtrate, and then the solvent was distilled off to obtain a white solid. Finally, it was recrystallized with toluene to obtain 20.1 g of a reaction product.

<第二反応工程>
攪拌機を取り付けた三口フラスコに、得られた反応生成物10.0g(38.1mmol)を入れ、0℃に冷却したのち、濃硫酸50ml(18mol/l)を加えて、攪拌させた。完全に溶解したことを確認した後、室温に戻しさらに1時間攪拌を継続した。攪拌後、200gの氷中に溶液を注ぎ、攪拌しながら、その中に塩化ナトリウムを加えて塩析操作を行った。析出してきた固体をろ過にて回収し、固体を純水にて再結晶化し、下記構造式で表される芳香族スルホン酸誘導体1を14.2g得た。
<Second reaction step>
Into a three-necked flask equipped with a stirrer, 10.0 g (38.1 mmol) of the obtained reaction product was put, and after cooling to 0 ° C., 50 ml of concentrated sulfuric acid (18 mol / l) was added and stirred. After confirming complete dissolution, the temperature was returned to room temperature and stirring was continued for another hour. After stirring, the solution was poured into 200 g of ice, and while stirring, sodium chloride was added thereto for salting out. The precipitated solid was collected by filtration, and the solid was recrystallized with pure water to obtain 14.2 g of an aromatic sulfonic acid derivative 1 represented by the following structural formula.

当該芳香族スルホン酸誘導体1のH−NMRスペクトルを図1に、13C−NMRスペクトルを図2に示す。 The 1 H-NMR spectrum of the aromatic sulfonic acid derivative 1 is shown in FIG. 1, and the 13 C-NMR spectrum is shown in FIG.

なお、H−NMR測定および13C−NMR測定の条件は以下の通りである。
H−NMR条件]
装置:VARIAN社製NMR装置 400−MR
共鳴周波数:400MHz
測定溶媒:DMSO−d6
試料溶液濃度:20mg/ml
積算回数:32回
測定温度:室温
The conditions for 1 H-NMR measurement and 13 C-NMR measurement are as follows.
[ 1 H-NMR conditions]
Apparatus: NMR apparatus 400-MR manufactured by VARIAN
Resonance frequency: 400 MHz
Measuring solvent: DMSO-d6
Sample solution concentration: 20 mg / ml
Integration count: 32 times Measurement temperature: room temperature

13C−NMR条件]
装置:VARIAN社製NMR装置 400−MR
共鳴周波数:400MHz
測定溶媒:DMSO−d6
試料溶液濃度:20mg/ml
積算回数:256回
測定温度:室温
[ 13C -NMR conditions]
Apparatus: NMR apparatus 400-MR manufactured by VARIAN
Resonance frequency: 400 MHz
Measuring solvent: DMSO-d6
Sample solution concentration: 20 mg / ml
Integration count: 256 times Measurement temperature: room temperature

[溶液粘度]
ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度(ln[ta/tb])/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度を表す)。
[Solution viscosity]
The polymer powder was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity (ln [ta / tb] ) / C (ta represents the sample solution dropping time, tb represents the solvent dropping time, and c represents the polymer concentration).

(実施例2)芳香族スルホン酸誘導体2の合成
実施例1において、2,5−ジフェニル−1,4−ベンゾキノンの代わりに、2,6−ジフェニル1,4−ベンゾキノンを用いた以外は実施例1と同様にて下記構造式で表される芳香族スルホン酸誘導体2を得た。
(Example 2) Synthesis of aromatic sulfonic acid derivative 2 In Example 1, except that 2,6-diphenyl-1,4-benzoquinone was used instead of 2,5-diphenyl-1,4-benzoquinone, Example As in Example 1, an aromatic sulfonic acid derivative 2 represented by the following structural formula was obtained.

(実施例3)芳香族スルホン酸誘導体3の合成
実施例1において、2,5−ジフェニル−1,4−ベンゾキノンの代わりに、3,6−ジフルオロ−2,5−ジフェニル1,4−ベンゾキノンを用いた以外は実施例1と同様にて下記構造式で表される芳香族スルホン酸誘導体3を得た。
(Example 3) Synthesis of aromatic sulfonic acid derivative 3 In Example 1, 3,6-difluoro-2,5-diphenyl 1,4-benzoquinone was used instead of 2,5-diphenyl-1,4-benzoquinone. An aromatic sulfonic acid derivative 3 represented by the following structural formula was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was used.

(参考例)芳香族系高分子材料の調製
実施例1で合成した芳香族スルホン酸誘導体1を用いて、以下の方法にしたがって芳香族高分子材料を調製した。
(Reference Example) Preparation of Aromatic Polymer Material Using the aromatic sulfonic acid derivative 1 synthesized in Example 1, an aromatic polymer material was prepared according to the following method.

ジフルオロベンゾニトリル2.7g、炭酸カリウム2.98g、ジメチルスルホキシド61.0ml、およびトルエン30.5mlをフラスコに入れ、窒素雰囲気下、攪拌しながら140℃に昇温し、トルエンを留去した。その後、上記スルホン酸誘導体1を10g系内に加え、160℃で10時間攪拌した。得られた溶液をアセトン中に滴下し、析出物を回収し、乾燥させて、下記式で表される芳香族高分子材料11.8gを得た。当該材料を0.5g/dLの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行ったところ、対数粘度は、0.18dL/gであった。   2.7 g of difluorobenzonitrile, 2.98 g of potassium carbonate, 61.0 ml of dimethyl sulfoxide, and 30.5 ml of toluene were placed in a flask, heated to 140 ° C. with stirring in a nitrogen atmosphere, and toluene was distilled off. Thereafter, 10 g of the sulfonic acid derivative 1 was added to the system and stirred at 160 ° C. for 10 hours. The obtained solution was dropped into acetone, and the precipitate was collected and dried to obtain 11.8 g of an aromatic polymer material represented by the following formula. The material was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C. The logarithmic viscosity was 0.18 dL / g. there were.

本発明の芳香族スルホン酸誘導体は、プロトン伝導性に優れる芳香族系高分子材料、および該高分子材料を得るためのモノマーを提供することができ、固体高分子型燃料電池等に好適に利用できるため産業上の寄与は大である。   The aromatic sulfonic acid derivative of the present invention can provide an aromatic polymer material excellent in proton conductivity and a monomer for obtaining the polymer material, and is suitably used for a solid polymer fuel cell and the like. Because it can, the industrial contribution is significant.

Claims (6)

下記式(1)で表されることを特徴とする芳香族スルホン酸誘導体

[式(1)において、XおよびXはそれぞれ独立した水素原子またはハロゲン原子を示す。Rは水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、または炭素数1〜20の炭化水素基、aおよびbはそれぞれ独立した1以上の整数、ArおよびArは独立した芳香族基を示す。]
An aromatic sulfonic acid derivative represented by the following formula (1)

[In Formula (1), X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom. R represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, a and b each represent an independent integer of 1 or more, and Ar 1 and Ar 2 represent an independent aromatic group. Show. ]
下記式(1)におけるArおよびArがフェニレン基である請求項1記載の芳香族スルホン酸誘導体 The aromatic sulfonic acid derivative according to claim 1, wherein Ar 1 and Ar 2 in the following formula (1) are phenylene groups. 請求項1から2のいずれか一項に記載の芳香族スルホン酸誘導体の製造方法であって、下記式(2)で表される芳香族化合物から、還元反応にて水酸基を生成する第一反応工程と、第一反応工程で得られる反応生成物をスルホン化する第二反応工程とを含むことを特徴とする芳香族スルホン酸誘導体の製造方法。

[式(2)において、XおよびXはそれぞれ独立した水素原子またはハロゲン原子を示す。]
It is a manufacturing method of the aromatic sulfonic acid derivative as described in any one of Claim 1 to 2, Comprising: The 1st reaction which produces | generates a hydroxyl group by the reductive reaction from the aromatic compound represented by following formula (2). A process for producing an aromatic sulfonic acid derivative, comprising a step and a second reaction step of sulfonating the reaction product obtained in the first reaction step.

[In Formula (2), X 1 and X 2 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom. ]
前記第一反応工程を、反応温度−20℃〜200℃、前記反応生成物の濃度を1質量%〜10質量%となるように行う請求項3記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 3 which performs said 1st reaction process so that reaction temperature may be -20 degreeC-200 degreeC, and the density | concentration of the said reaction product may be 1 mass%-10 mass%. 前記第二反応工程を、反応温度0℃〜100℃で行う請求項3または4に記載の芳香族スルホン酸誘導体の製造方法。 The method for producing an aromatic sulfonic acid derivative according to claim 3 or 4, wherein the second reaction step is performed at a reaction temperature of 0C to 100C. 前記第二反応工程を、前記反応生成物に対して2当量〜20当量の硫酸を加えて行うことを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の芳香族スルホン酸誘導体の製造方法。 The said 2nd reaction process is performed by adding 2 equivalent-20 equivalent sulfuric acid with respect to the said reaction product, The manufacture of the aromatic sulfonic acid derivative of any one of Claim 3 to 5 characterized by the above-mentioned. Method.
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